شواهد جدید حاکی از آن است که اکسیژن جامد تحت فشار به یک حالت درهم تنیده غیرمعمول تغییر می‌کند.

در اکسیژن گازی یا مایع، دو الکترون جفت نشده در هر مولکول O₂ اسپین‌های خود را به موازات یکدیگر قرار می‌دهند که مولکول را به یک آهنربای مینیاتوری تبدیل می‌کند. وقتی اکسیژن جامد می‌شود، بلورها می‌توانند بسته به دما و فشار پیکربندی‌های مغناطیسی مختلفی به خود بگیرند. اکنون فدریکو گورلی Federico Gorelli و همکارانش از موسسه ملی اپتیک ایتالیا شواهدی کشف کرده‌اند مبنی بر اینکه در دمای اتاق و فشار 18-12 گیگاپاسکال ((GPa، اکسیژن جامد دارای حالتی نوسانی است که در آن اسپین‌های الکترون درهم تنیده هستند-حالتی که در زمینه‌های دیگر به عنوان یک مایع اسپینی کوانتومی ((quantum spin liquid شناخته می‌شود [1].

گورلی و همکارانش حالتی معروف به ɛ-اکسیژن را مطالعه کردند که از مولکولهای عمودی چیده شده به صورت افقی در "چهارتایی‌ها" ی الماس شکل تشکیل شده اند. در سال 2014، نظریه‌پردازان پیش‌بینی کردند که ɛ-اکسیژن بین دو فاز تقسیم می‌شود [2]. فاز با فشار بالاتر، یک دیامغناطیس معمولی است- فاز غیرمغناطیسی ای که در آن چهارتایی‌ها نزدیکتر به شکل مربع هستند. در فاز با فشار پایین تر، طول اضلاع چهارتایی‌ها نابرابر است. مهمتر از همه، در این حالت اسپین‌ها نمی‌توانند یک پیکربندی واحد و ایستا پیدا کنند. در نتیجه، هر چهارتایی میزبان یک آرایش بی‌نظم پویا است که با مایع‌های اسپینی کوانتومی مرتبط هستند .[3]

با الهام از این پیش‌بینی، گورلی و همکارانش از پرتوهای اشعه ایکس تاسیسات تابش سینکروترون اروپایی به منظور تعیین پارامترهای شبکه ɛ-اکسیژن در فشارهای مختلف استفاده کردند. در فشار GPa 18.1 (نزدیک به مقدار پیش بینی شده GPa 20) همه پارامترها یک ناپیوستگی کوچک اما محدود نشان دادند که مطابق با گذار پیش‌بینی شده بود. به طور مشابه، نشانه‌های غیرمستقیمی از مایع‌های اسپینی کوانتومی در سریوم زیرکونیوم اُکساید، روتنیوم تری‌کلراید و مواد دیگر دیده شده‌اند. اما از میان این میزبان‌های مفروض، -اکسیژن با اختلاف زیاد ساده ترین است که مطالعه این حالت را آسانتر می‌کند.

1. F. A. Gorelli et al., “Structural evidence for the spin collapse in high pressure solid oxygen,” Phys. Rev. Lett. 135, 076101 (2025).
2. Y. Crespo et al., “Collective spin 1 singlet phase in high-pressure oxygen,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, 10427 (2014).
3. H. V. Gomonay and V. M. Loktev, “Magnetoelastic nature of the solid oxygen ε-phase structure,” Phys. Rev. B 76, 094423 (2007).

منبع:

Crushing Oxygen into a Spin Liquid